星載差分吸收光譜儀CCD成像電路的設(shè)計(jì)及實(shí)施

王 煜,陸亦懷,趙 欣,司福祺

(中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)

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·光電技術(shù)與系統(tǒng)·

星載差分吸收光譜儀CCD成像電路的設(shè)計(jì)及實(shí)施

王 煜,陸亦懷,趙 欣,司福祺

(中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)

星載差分吸收光譜儀通過(guò)獲取地球大氣或地表反射、散射的紫外/可見(jiàn)光輻射,監(jiān)測(cè)大氣痕量氣體的全球分布。載荷使用4片面陣CCD作為探測(cè)器,對(duì)地觀測(cè)、實(shí)時(shí)測(cè)量紫外可見(jiàn)波段光譜信息。其中CCD成像電路是電子學(xué)部件的核心,該電路的設(shè)計(jì)除完成通用CCD成像電路功能以外,還針對(duì)衛(wèi)星空間有限和航天元件受限等特殊情況,采用了單板四通道、數(shù)字像元合并的方案。本文討論了載荷CCD成像電路的設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程,并重點(diǎn)論述了單板四通道和數(shù)字像元合并的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

CCD成像電路；差分吸收光譜儀;衛(wèi)星載荷;大氣探測(cè);空間遙感

1 工程背景及設(shè)計(jì)要求

1.1 工程背景概述

星載差分吸收光譜儀使用差分吸收光譜技術(shù)(Differential Optical Absorption Spectroscopy) 探測(cè)大氣成分,是環(huán)境監(jiān)測(cè)和大氣物理研究的有效手段,分被動(dòng)型和主動(dòng)型,成像型和非成像型。

國(guó)外光學(xué)遙感在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用發(fā)展很快,近年來(lái),隨著全球環(huán)境問(wèn)題的日益突出,具有全球覆蓋、快速、多光譜、大信息量的遙感技術(shù)已成為全球環(huán)境變化監(jiān)測(cè)中一種重要的技術(shù)手段。在對(duì)于大氣痕量氣體(包括污染氣體)的測(cè)量方面,紫外/可見(jiàn)差分吸收光譜技術(shù)已成為一種非常有效地遙感手段。其采用太陽(yáng)光、天空散射光作光源,可應(yīng)用于不同平臺(tái)對(duì)大氣痕量成分開(kāi)展測(cè)量,星載DOAS載荷從空間對(duì)整個(gè)地球的大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

歐洲1995年發(fā)射的衛(wèi)星(ESR-2)上搭載了首臺(tái)基于差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)的全球臭氧測(cè)量系統(tǒng)(Global Ozone Monitoring Experiment,GOME)[1]。通過(guò)測(cè)量地球反照輻射,在測(cè)量O3的同時(shí),可以利用它的數(shù)據(jù)反演全球NO2、SO2、BrO等氣體的時(shí)空分布圖。在取得GOME成功經(jīng)驗(yàn)后,歐洲在2002年初發(fā)射的ESA ENVISAT衛(wèi)星上搭載了SCIAMACHY(Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CHartographY)[2]大氣探測(cè)掃描差分吸收光譜系統(tǒng),標(biāo)志著歐洲在利用空間測(cè)量技術(shù)研究大氣環(huán)境邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。SCIAMACHY衛(wèi)星能夠以天底、臨邊和掩星等三種幾何模式測(cè)量大氣中O3、BrO、SO2、NO2、CO、CO2、CH4等十幾種氣體成分,以及氣壓、溫度、氣溶膠和云的總量與分布。SCIAMACHY儀器的核心反演方法是差分光學(xué)吸收光譜(DOAS)解析方法。盡管針對(duì)濃度反演的模型和算法,以及數(shù)據(jù)有效性的評(píng)價(jià)在不斷的完善中,已經(jīng)取得的數(shù)據(jù)為人們理解大氣的物理和化學(xué)過(guò)程提供了客觀的判據(jù)。2004年初計(jì)劃發(fā)射EOS-Aura衛(wèi)星上搭載了荷蘭-芬蘭天底觀測(cè)光譜儀全球O3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Dutch-Finnish nadir-pointing spectrometer OMI),采用差分吸收光譜(DOAS)的方法,主要測(cè)量O3、NO2、HCHO、BrO和OClO等氣體組分,以及測(cè)量地球反射率和太陽(yáng)輻射。

在國(guó)內(nèi),結(jié)合環(huán)境保護(hù)的衛(wèi)星遙感大氣監(jiān)測(cè)工作目前還處于起步階段,應(yīng)用于大氣相關(guān)參數(shù)反演的載荷主要在風(fēng)云衛(wèi)星系列上,在軌已有波段式載荷可完成臭氧等污染氣體的監(jiān)測(cè),但是目前尚沒(méi)有發(fā)射高光譜分辨率衛(wèi)星用于對(duì)流層主要污染物(包含二氧化氮、二氧化硫、甲醛、氧化溴和氣溶膠等)同時(shí)進(jìn)行探測(cè)的衛(wèi)星載荷,不能獲得多種大氣氣體成分的高分辨時(shí)空分布信息。

近年來(lái),我國(guó)航天事業(yè)飛速發(fā)展,衛(wèi)星應(yīng)用體系更加完備。應(yīng)用部門(mén)迫切需要我國(guó)自己的星載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備。本文述及的某型號(hào)衛(wèi)星就是裝備了一系列大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的衛(wèi)星。差分吸收光譜儀是該衛(wèi)星的主要載荷之一,星載差分吸收光譜儀是一種推掃式成像光譜儀,具有高分辨率、寬光譜范圍、大視場(chǎng)角的特點(diǎn),能夠同時(shí)記錄被測(cè)對(duì)象的光譜信息和空間信息,其運(yùn)行在太陽(yáng)同步軌道,地面觀測(cè)范圍穿軌方向2600 km,能夠?qū)崿F(xiàn)一日全球覆蓋。

衛(wèi)星發(fā)射成功后,星載的差分吸收光譜儀將為環(huán)保部門(mén)提供更加詳實(shí)的數(shù)據(jù),也為我國(guó)氣象、環(huán)境、大氣物理等領(lǐng)域的科學(xué)研究提供資料。

光譜儀載荷的電路部分包括供電、指令、電機(jī)、數(shù)管和CCD成像電路,其中CCD成像電路是光譜儀的核心部件。本文將具體介紹CCD成像電路的設(shè)計(jì)和實(shí)施,并重點(diǎn)敘述其“4路單板”結(jié)構(gòu)和“數(shù)字像元合并”功能。

1.2 差分吸收光譜儀整體設(shè)計(jì)

星載差分吸收光譜儀通過(guò)探測(cè)地球大氣或地表反射、散射的紫外/可見(jiàn)輻射來(lái)解析痕量污染氣體成分(如NO2、SO2、O3等氣體)的分布和變化。儀器的光譜范圍為240～710 nm,采用了基于凸面光柵的四通道(240～315 nm、311～403 nm、401～550 nm、545～710 nm)光譜探測(cè)。儀器的前置導(dǎo)入光學(xué)系統(tǒng)沒(méi)有采用常用的擺掃機(jī)構(gòu),而是利用包括兩片偏軸球面鏡的寬視場(chǎng)前置望遠(yuǎn)鏡,在穿軌方向形成114°大視場(chǎng)。儀器在太陽(yáng)同步軌道進(jìn)行天底觀測(cè)、面陣推掃,幅寬為2600 km(如圖1所示),可近似實(shí)現(xiàn)一日全球覆蓋監(jiān)測(cè)。

圖1 星載差分吸收光譜儀對(duì)地觀測(cè)方式

圖2為大氣痕量氣體差分吸收光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)示意圖。自地球大氣或地表散射、反射的光信息通過(guò)系統(tǒng)的前置望遠(yuǎn)鏡會(huì)聚后,進(jìn)入中繼光學(xué)系統(tǒng)。中繼光學(xué)系統(tǒng)利用分色片進(jìn)行分光,將各通道對(duì)應(yīng)譜段的光反射會(huì)聚進(jìn)入相應(yīng)通道的Offner結(jié)構(gòu)成像光譜儀,在光譜儀內(nèi)色散成像到面陣CCD探測(cè)器上,從而獲取高光譜分辨率、高空間分辨率的光譜信息。

圖2 星載差分吸收光譜儀光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由圖2可見(jiàn),星載差分吸收光譜儀CCD采用了4片面陣CCD以達(dá)到更大的光譜分辨率,將紫外到可見(jiàn)的光譜分為了4534條譜線(1024×2+1243×2)。

作為光譜測(cè)量的設(shè)備,和觀察設(shè)備不同,圖像的分辨率要求不高,但對(duì)每一個(gè)成像點(diǎn)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍要求很大,也就是要求低分辨、高精度。為此,CCD的每個(gè)像元要具備更深的勢(shì)阱,以提供更大的動(dòng)態(tài)范圍。為此選用英國(guó)E2V公司的紫外CCD產(chǎn)品CCD-47-20,和可見(jiàn)光譜段的CCD-55-30[3-4]。CCD-47-20具有120000滿阱電荷容量,CCD-55-30具有600000的滿阱電荷容量,典型讀出速率為2 MPixel/s,滿足光譜儀高精度,低速度的要求,動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到14 Bit。

衛(wèi)星在軌工作時(shí),因?yàn)榈孛孑椪斩鹊淖兓?光譜儀需要調(diào)整曝光時(shí)間。設(shè)定曝光時(shí)間為0.5 s,1 s,2 s和4 s。

各個(gè)譜段的光譜響應(yīng)度不一樣,即使對(duì)同一目標(biāo),不同CCD的曝光時(shí)間也有可能不一致,這樣,就要求4個(gè)CCD獨(dú)立工作,各自發(fā)生自己的時(shí)序。

另外CCD成像過(guò)程中要有像元合并(Binning)功能,設(shè)置了兩檔Binning級(jí)數(shù)。關(guān)于Binning功能的意義將在下一章詳細(xì)敘述。

作為星載設(shè)備,CCD成像電路需要與衛(wèi)星建立通訊接口。由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)接口資源有限,只能給差分吸收光譜儀分配一個(gè)LVDS數(shù)據(jù)接口,CCD成像電路需要將四個(gè)CCD的圖像數(shù)據(jù)合并后經(jīng)由一路LVDS發(fā)送到衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸單元,再下發(fā)到地面接收站。

CCD成像電路同時(shí)需要接受星上的指令,軌道參數(shù)以及設(shè)備參數(shù),將這些參數(shù)編碼到圖像數(shù)據(jù)包中下發(fā)。這些數(shù)據(jù)是衛(wèi)星經(jīng)1553-B總線發(fā)送給差分吸收光譜儀載荷的中控計(jì)算機(jī),中控計(jì)算機(jī)再通過(guò)RS-422總線把CCD成像電路所需的指令和參數(shù)傳輸?shù)紺CD成像電路。表1列出了CCD成像電路的主要設(shè)計(jì)要求。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案概述

根據(jù)上一節(jié)的技術(shù)要求,考慮航天器件的選擇范圍。本設(shè)計(jì)采用Xilinx的FPGA器件完成邏輯和通訊功能,AD公司的14 Bit相關(guān)雙采樣+A/D 芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。其他電路還包括配電電路,通訊接口電路等,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 CCD成像電路主要技術(shù)要求

圖3 CCD驅(qū)動(dòng)電路整體框圖

圖3的電路中,每個(gè)CCD成像電路包括驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集邏輯、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器根據(jù)操作指令,產(chǎn)生相應(yīng)的11路時(shí)鐘。11路時(shí)鐘經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)CCD工作。CCD輸出的視頻信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,成為數(shù)字圖像信號(hào),緩沖到兩個(gè)RAM構(gòu)成的乒乓緩沖器,每次緩沖一行數(shù)據(jù)。

通訊適配器在發(fā)現(xiàn)某一路CCD的數(shù)據(jù)區(qū)完成了一行數(shù)據(jù)的緩沖后,將其讀出并填寫(xiě)行序號(hào)和場(chǎng)同步用于地面的數(shù)據(jù)接收方恢復(fù)圖像。通訊適配器還要填寫(xiě)軌道信息、衛(wèi)星姿態(tài)信息、CCD溫度數(shù)值等,按衛(wèi)星接口的格式要求打包成一包數(shù)據(jù),經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù),再由差分發(fā)送芯片轉(zhuǎn)為L(zhǎng)VDS電平傳送到衛(wèi)星通訊控制單元。通訊適配器包括輪詢機(jī)制、優(yōu)先級(jí)分配器、字節(jié)填充機(jī)制和一個(gè)并/串轉(zhuǎn)換器。

指令接收緩存單元負(fù)責(zé)與光譜儀的中控計(jì)算機(jī)通訊,接收指令數(shù)據(jù)和衛(wèi)星參數(shù),提供給時(shí)序發(fā)生器和通訊適配器。

另外,配電單元產(chǎn)生CCD的各種工作電壓和CCD成像電路自身需要的電源。

圖中的點(diǎn)化線框內(nèi)是數(shù)字邏輯部分,由FPGA實(shí)現(xiàn)。其余部分由對(duì)應(yīng)的專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)。

2.2 單板電路和6板電路的方案選擇

根據(jù)上節(jié)的框圖,可以將每一個(gè)CCD成像電路做成一塊電路板,每個(gè)電路獲得的CCD圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到通訊適配器上,通訊適配器作為單獨(dú)的電路板,放在衛(wèi)星艙體內(nèi),可以做冗余備份。這種方案使用6片F(xiàn)PGA和6塊電路板,稱(chēng)作“4路-6板方案”,如圖4所示。

圖4 4路-6板CCD成像電路方案結(jié)構(gòu)圖

再有一種方案是這個(gè)4路CCD成像電路做在一張電路板上。全部邏輯電路功能由1片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)成為“4路單板結(jié)構(gòu)”,如圖5所示。

圖5 4路-單板方案結(jié)構(gòu)示意圖

比較以上兩個(gè)方案,可以發(fā)現(xiàn),單板方案使用一個(gè)FPGA,一個(gè)電路板,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,電纜數(shù)量少,機(jī)箱數(shù)量少,但不能做通訊適配器的備份。6板方案可以做出備份的通訊適配器,但使用了6片F(xiàn)PGA,電纜數(shù)量,接插件數(shù)量和機(jī)箱都相應(yīng)增加。在選擇方案時(shí),首先要計(jì)算一下通訊備份能否增加可靠性,因?yàn)殡m然6板方案?jìng)浞萘送ㄓ嵾m配器,但是也增加了器件數(shù)量,是否真正提高可靠性,需要結(jié)算得知。計(jì)算時(shí),因?yàn)閮煞N方案除FPGA單元的數(shù)量不同以外,其他元件都一樣,所以只考慮FPGA單元引起的整機(jī)失效概率。一個(gè)FPGA單元包括FPGA芯片,為其供電的電源芯片,為其提供主頻的晶體振蕩器和配置ROM。

不同的FPGA單元失效概率下,整機(jī)的綜合失效概率如圖6所示。

圖6 不同F(xiàn)PGA失效概率下,整機(jī)的失效概率

圖中橫坐標(biāo)為FPGA單元的失效概率,縱坐標(biāo)為整機(jī)綜合失效概率,Mode1為單板方案,Mode 2為6板方案。

圖中可以看出,在FPGA失效率高的情況下,單板可靠性高,在FPGA失效率低的情況下,6板的可靠性高。FPGA失效率小于5%時(shí),兩種方案實(shí)際區(qū)別不大。

另外說(shuō)明一下這里的整機(jī)綜合失效率的概念。在計(jì)算整機(jī)失效率的時(shí)候,如果任意一路CCD失效,即認(rèn)為整機(jī)失效,那么肯定是單路方案失效率最低。如果4路CCD都失效才認(rèn)為整機(jī)失效,那么無(wú)需計(jì)算,肯定4路方案的失效率最低。顯然,這兩種計(jì)算方式都有失偏頗,考慮到實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,這里引入了整機(jī)綜合失效率的概念。當(dāng)一路失效時(shí),認(rèn)為整機(jī)還有75%的使用價(jià)值,2路失效時(shí)整機(jī)還有50%的使用價(jià)值,因而對(duì)每一路可靠性賦予25%的權(quán)重。

將實(shí)際工程參數(shù)帶入數(shù)學(xué)模型得到單板的8年綜合可靠度0.995,6板結(jié)構(gòu)的綜合可靠度為0.997。兩種方案都滿足整機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)要求。既然可靠性區(qū)別不大,單板方案節(jié)省空間和重量的優(yōu)勢(shì)就非常明顯。

對(duì)于多CCD的星載設(shè)備,將多個(gè)CCD成像電路合并在一張電路板上的做法并不常見(jiàn)。這種單板方案,在可靠性區(qū)別不大,但需要提高設(shè)備集成度和減小設(shè)備體積時(shí)有重要意義,也是本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。

2.3 像元合并功能的分析和設(shè)計(jì)實(shí)施

不同于觀察用圖的CCD設(shè)備,光譜儀使用CCD探測(cè)器作為測(cè)量設(shè)備。測(cè)量設(shè)備對(duì)分辨率沒(méi)有高要求,但對(duì)精度要求很高,這類(lèi)CCD追求每個(gè)像元具有大的動(dòng)態(tài)范圍和高信噪比,但不要求速度。為此,測(cè)量用CCD通常具有大面元、深勢(shì)阱和慢速的特點(diǎn)。比如該項(xiàng)目使用的CCD-55-30器件具有13 μm面元,600000電荷容量。OMI使用的CCD-55-20也具有同樣的特點(diǎn)。

之所以測(cè)量用CCD追求大面元、深勢(shì)阱是因?yàn)橄裨敵龅膭?dòng)態(tài)范圍是由其信噪比決定,影響信噪比的一個(gè)重要因素是散彈噪聲的大小。在其他因素不變的情況下,散彈噪聲決定了CCD的信噪比,其表達(dá)式如下：

(1)

其中,SNR為探測(cè)器的信噪比;n為探測(cè)器接收的粒子數(shù)量。式(1)可以看出CCD每個(gè)面元接收的電荷數(shù)越多,其信噪比就越高。

為了達(dá)到更高的信噪比,CCD就盡可能地把像元做得更大,把勢(shì)阱做得更深。但是限于制作工藝和半導(dǎo)體器件的特性,勢(shì)阱容量是有限的。在不能達(dá)到使用要求的情況下,驅(qū)動(dòng)電路會(huì)引入像元合并機(jī)制,即CCD的Binning功能。Binning是通過(guò)把若干像元的電荷合并在一起,提高單一探測(cè)點(diǎn)的電荷數(shù)量。

這種做法實(shí)際上是犧牲空間分辨率來(lái)?yè)Q取更高的信噪比。這種方式在成像光譜的測(cè)量中很常用,通常是對(duì)采集到的圖像做多行的累加形成一行數(shù)據(jù),這個(gè)工作一般是在后期的計(jì)算機(jī)圖像處理時(shí)完成。

根據(jù)本項(xiàng)目中差分吸收光譜儀的參數(shù),每一個(gè)成像點(diǎn)的長(zhǎng)度是13 km(2 s飛行時(shí)間的曝光區(qū)域),寬度設(shè)計(jì)為11.2 km和22.4 km兩檔,對(duì)應(yīng)4個(gè)像元和8個(gè)像元的寬度。這樣CCD成像電路就需要設(shè)計(jì)4-Binning和8-Binnging的功能。

CCD器件大多具備行Binning 和列Binning 的功能,文中的光譜儀,因?yàn)榘惭b時(shí),CCD水平方向平行于衛(wèi)星飛行方向,在做地理維的像元合并是就需要做行Binning。操作方法很簡(jiǎn)單,以 4-Binning為例,只要驅(qū)動(dòng)時(shí)序每做4次行轉(zhuǎn)移,將4行的電荷打入最后一行(讀出寄存器行)中,再做一次水平讀出即可。但是這樣需要CCD最后一個(gè)讀出行的像元?jiǎng)葳迳疃戎辽偈钦３上裣裨獎(jiǎng)葳迳疃鹊?倍。否則,如果參與合并的4行中的像元接近滿井,到最后一級(jí)就可能溢出。

國(guó)外同類(lèi)衛(wèi)星載荷(如OMI)間距均采用Binning方式工作,為了Binning的需求,向CCD廠家定制了加深讀出行勢(shì)阱的CCD探測(cè)器。而本項(xiàng)目無(wú)法獲取該類(lèi)型探測(cè)器,所采購(gòu)的CCD并不具備4倍勢(shì)阱深度的讀出寄存器行。這樣就不可能實(shí)現(xiàn)全部曝光條件下的Binning功能,為實(shí)現(xiàn)像元合并功能,設(shè)計(jì)上采用了數(shù)字像元合并的方式。以4行數(shù)字合并為例,每行像元正常讀出,將讀出的第一行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中,在第二行讀出時(shí),每個(gè)像元讀出的數(shù)據(jù)和第一行對(duì)應(yīng)位置的數(shù)據(jù)相加后存入RAM,第三行讀出時(shí)將讀出的數(shù)據(jù)與前兩行的和相加,最后第四行讀出并與前3行累加后發(fā)送給通訊適配器作為一行數(shù)據(jù)下傳。本設(shè)計(jì)的數(shù)字合并功能具有4-Binning和8-Binning 兩檔。

可見(jiàn)數(shù)字像元合并方式是借助于CCD片外的邏輯電路和存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)了信號(hào)累加的功能,模擬的像元合并方式是在CCD片內(nèi)將電荷直接累加。這里,稱(chēng)數(shù)字像元合并方式為“數(shù)字Binning”,模擬的像元合并方式成“模擬Binning”或“Binning”。

這種數(shù)字合并像元的方式,與模擬合并像元的方式一樣,目的是提高信噪比,并減少了衛(wèi)星數(shù)據(jù)通道帶寬的消耗。但是數(shù)字方式也不能完全等同模擬方式,因?yàn)閿?shù)字方式本身需要CCD信號(hào)讀出是逐行讀出,所以讀出頻率是模擬方式的4倍(以4-Binning為例)。眾所周知,CCD的讀出噪聲也是影響信噪比的因素,讀出噪聲隨讀出頻率急劇上升。所幸逐行讀出的頻率也遠(yuǎn)低于CCD正常工作的上限,尚不至影響太大,但不如模擬Binning效果好。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 模擬Binning 和數(shù)字Binning的信噪比比較

圖8顯示了不同波長(zhǎng)下的兩種Binning方式的信噪比對(duì)比。虛線為模擬4-Binning模式,實(shí)線為數(shù)字4-Binning模式(也稱(chēng)4平均模式),橫坐標(biāo)是光譜的波長(zhǎng)。由圖可見(jiàn)數(shù)字Binning的信噪比要小于模擬Binning。

當(dāng)然,模擬Binning功能在本設(shè)計(jì)中依然保留,其實(shí)際效果還需要未來(lái)設(shè)備在軌運(yùn)行時(shí)評(píng)估。這種數(shù)字Binning的方式,為無(wú)法實(shí)現(xiàn)模擬Binning的CCD提供了一種解決方案,是本設(shè)計(jì)特點(diǎn)之一。

2.4 熱設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

單板的方案比6板的方案總的體積雖然減少了,但是單板的體積加大,主要因?yàn)?路CCD的A/D芯片,電源芯片都集中在一塊PCB上。實(shí)際產(chǎn)品PCB尺寸為40cm×20cm,這樣對(duì)整板散熱提出了更高的要求。每個(gè)CCD需要8種不同的電壓。這些電壓都由二次電源穩(wěn)壓產(chǎn)生,加上成像電路本身所需的電壓,電路板上集成了36個(gè)穩(wěn)壓器。這36個(gè)穩(wěn)壓器和板上的4片A/D以及一片F(xiàn)PGA芯片是功耗較大的器件。為提高散熱效率,所有穩(wěn)壓器都采用TO-257封裝,器件自帶散熱片。設(shè)計(jì)將這些穩(wěn)壓器都分布在電路的邊沿,散熱片均通過(guò)螺釘固定在鋁合金的機(jī)箱上。A/D和FPGA芯片也預(yù)留了局部冷板的安裝空間。

熱平衡實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,全部器件在高溫工況下,最高不超過(guò)11 ℃,且整板的熱量分布均勻。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 光譜儀CCD成像電路板及 機(jī)箱熱平衡實(shí)驗(yàn)總結(jié)

3 工程實(shí)施及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文論述的電路,使用撓性電路板連接CCD和成像電路板,成像電路使用6層PCB完成布線,封閉式機(jī)箱增加抗輻照效果。LVDS數(shù)傳接口做兩路交叉?zhèn)浞荨?/p>

作為星載電子產(chǎn)品,電路設(shè)計(jì)要滿足真空、輻照條件下工作的要求,且需要具備高可靠性。這類(lèi)設(shè)計(jì)已有航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)范,在電路設(shè)計(jì)和器件選擇上都有嚴(yán)格規(guī)定,在這里不做詳述。

該電路經(jīng)原理樣機(jī),工程樣機(jī)階段現(xiàn)已完成初樣產(chǎn)品的生產(chǎn)。各項(xiàng)單機(jī)測(cè)試結(jié)果正常,整星聯(lián)調(diào)也已通過(guò),并交付總體單位。

測(cè)試結(jié)果表明,成像的分辨率和信噪比均符合設(shè)計(jì)要求。表3列出了光譜儀空間分辨率的測(cè)試結(jié)果：

表3 大氣痕量氣體差分吸收光譜儀垂直 飛行方向分辨率檢測(cè)結(jié)果

4 工程的總結(jié)及展望

本文述及的差分吸收光譜儀CCD成像電路是星載項(xiàng)目的一部分,該電路是第一款國(guó)內(nèi)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的,用于差分吸收光譜儀的CCD成像電路。差分吸收光譜儀是探測(cè)大氣痕量氣體的有效手段,還將在后續(xù)的衛(wèi)星上搭載。本項(xiàng)目的電路研發(fā)工作,不僅滿足了目前這發(fā)衛(wèi)星的載荷要求,也為未來(lái)的此類(lèi)星載光譜儀電路提供了樣本。

在民用產(chǎn)品方面,以往國(guó)內(nèi)的成像型差分吸收成像光譜儀產(chǎn)品均采用國(guó)外的工業(yè)CCD相機(jī)作為焦面電路。本文述及的CCD成像電路,裝配到國(guó)產(chǎn)差分吸收成像光譜儀的焦面電路,具有極高的推廣價(jià)值。目前設(shè)計(jì)人員已經(jīng)著手將現(xiàn)有設(shè)計(jì)做模塊化分解,增加USB通訊接口,以太網(wǎng)通訊接口,485通訊接口等,計(jì)劃形成單通道,雙通道,四通道,不同接口,可配裝不同規(guī)格面陣CCD的系列產(chǎn)品,以更大范圍內(nèi)替代國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品,并逐漸進(jìn)入工業(yè)CCD相機(jī)領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)科技成果的民用產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。

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[3] E2V Company.CCD47-20 Datasheet[EB/OL].(2007-09)http://www.e2v.com/resources/account/download-datasheet/1427.

[4] E2V Company.CCD55-30 Datasheet[EB/OL].(2006-03)http://www.e2v.com/resources/account/download-datasheet/1274.

Design and implementation of CCD imaging circuit for satellite-borne DOAS spectrometer

WANG Yu,LU Yi-huai,ZHAO Xin,SI Fu-qi

(Key Laboratory of Environment Optics and Technology,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Science,Hefei 230031,China)

Satellite-borne DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy) spectrometer utilizing 4 array CCDs can monitor the spectrum of atmosphere in real-time.In this spectrometer,the CCD imaging circuit is the core of electronic device.The circuit has general functions of CCD imaging circuit,and uses “4-in-1” and “digital binning” schemes aiming at the space limitation of satellite and the supplies of aerospace components.In this article,the design and implementation of the circuit is described,and the characteristics of the “4-in-1” and “digital binning” schemes are mainly discussed.

CCD imaging circuit;DOAS;satellite payload;atmospheric detection;space remote sensing

1001-5078(2015)06-0663-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.41275037);安徽省杰出青年科學(xué)基金(No.1308085JGD03)項(xiàng)目資助。

王 煜，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事航空航天遙感器電子設(shè)備研發(fā)工作。E-mail：yuwang@aiofm.ac.cn

2014-10-11

TH74

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.013